一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，包括信源、中继及多个信宿节点，所有节点均为单天线；信号的安全传输过程分为三个时隙完成，在第一时隙中，中继节点将接收到信源发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；在第二时隙中，信源将有用信息发送给中继，在第三时隙中，中继将接收到的信号广播给信宿；第一中继所采集到的能量全部被用于第三时隙的信息转发，且中继在三个时隙均为半双工工作模式；中继从多用户中选择一个接收信噪比最大的用时隙户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户。本发明专利技术将协作技术与时分能量采集技术相结合，降低了窃听信道的接收信噪比，提升了网络的安全性能。

A half duplex relay network security transmission method based on time division energy acquisition

The invention discloses a half duplex relay network security transmission method based on time division energy acquisition, including source, relay and a plurality of destination nodes, all nodes are single antenna; safety in process of signal transmission is divided into three time slots, in the first time slot, the relay node receives the radio frequency signals transmitted by the source energy harvesting technology into energy; in the second time slot, the source will be useful information sent to the relay, in the third time slot, the relay will broadcast the received signal to the destination; the first relay to collect all energy was used in the third time slot information forwarding, and relay at the three time slots are half duplex mode; the relay from multi users choose a maximum signal-to-noise ratio with time slot as a legitimate user of service users, the remaining unselected users are potential for eavesdropping Households. The invention combines the cooperative technology and time division energy acquisition technology, thereby reducing the received signal to noise ratio of the Wiretap Channel, and improving the security performance of the network.

【技术实现步骤摘要】
一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法
本专利技术涉及无线通信和物理层安全领域，特别涉及一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法。
技术介绍
随着网络技术的快速发展，越来越复杂的网络结构使得信息的安全传输更容易受到威胁。基于密钥体制的高层安全协议和加密算法等方法虽然可以在一定程度上提升信息安全性，但无法克服无线信道的广播特性和迅速提升的计算能力对信息安全产生的不利影响。物理层安全技术通过充分利用无线信道复杂的空间特性和时变特性，直接从物理层保障信息传输的安全性。多用户分集是一项广泛应用的技术，它利用了在无线通信环境下不同用户所处的独立衰落信道的特性。这一理念也被应用于中继网络中，该中继网络中的中继会协助信源数据，使之传输到信宿节点，这会扩大了蜂窝小区的覆盖或者提高了通信系统的吞吐量。在中继网络，为了利用多用户分集技术，要在信宿节点里机会式选取最佳的点对点信道质量即最佳的信噪比作为目的用户，这种机会式调度的方法提高了系统的性能以及分集增益。近几年，对于无线网络中能量采集技术的研究受到了广泛关注，对于不便于大规模采用有线供能的中继网络，比如传感器网络，传统的方法是采用电池供电，但是造成后期的网络维护成本较高，需要定期更换电池或者给电池充电。无线能量采集技术显著延长了多节点网络的生命周期，鉴于此，对于采用能量采集技术的协同中继网络的研究显得十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，通过将协作技术与时分能量采集技术相结合，使得窃听信道的接收信噪比降低，提升了网络的安全性能，从而保障了信号的安全传输。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，所述半双工中继网络包括信源节点、中继节点和若干个信宿节点，各节点均配置单天线，中继为无源节点且采用可变增益放大转发协议，信号的安全传输过程分为三个时隙完成，具体包括：在第一时隙中，中继节点将接收到的信源节点发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；在第二时隙中，信源节点将有用信号发送给中继节点；在第三时隙中，中继节点使用第一时隙内所采集到的能量将第二时隙中接收到的信号广播给信宿节点；并从所述若干个信宿节点中选取一个接收信噪比最大的节点作为合法用户进行服务，获取中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量的最优值。中继节点在第一时隙内采集到的能量表示为：其中，0<α<1，α表示时间分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示三个时隙传输的总时长，PS表示信源节点的发送功率，dSR表示信源节点到中继节点的距离，ρ表示路径损耗因子，hSR表示信源节点至中继节点的信道参数。在第二时隙内，信源节点将有用信息发送给中继节点，中继节点接收到的信号表示为：其中，XS表示单位方差信源信号，nR表示单位方差的加性白高斯噪声。在第三时隙内，信宿节点接收到的中继节点发送的信号表示为：其中，i为信宿节点的数量，表示中继节点到信宿节点之间的距离，表示中继节点与信宿节点间信道系数，表示单位方差的加性白高斯噪声；在第三时隙中，信宿节点的接收信噪比表示为：中继节点从所述若干个信宿节点中选取一个接收信噪比最大的节点作为合法用户进行服务，包括：选取接收信噪比最大的节点作为合法用户，合法用户表示为其中M表示中继网络中信宿节点的数量，表示使目标函数取最大值时的i的取值；其他的信宿节点作为潜在的窃听用户，中继网络窃听速率由所有窃听用户中接收信噪比最大的窃听用户决定，该窃听用户表示为其中，表示除合法用户的其他用户。中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量表示为：τ＝(1-α)CS其中，CS表示中继网络瞬时安全速率，CS＝[CB-Cε]+，[CB-Cε]+表示max((CB-Cε),0)；CB表示合法用户的瞬时安全速率，γB合法用户的接收信噪比；Cε表示信噪比最大的窃听用户的瞬时安全速率，γε表示该窃听用户的接收信噪比。通过二分法获取中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量的最优值。本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术使用半双工中继采用能量采集技术，通过中继与其他节点之间的协作，使得窃听信道的接收信噪比降低，达到保障系统安全传输的目的；(2)本专利技术在基于瞬时信道参数环境下，提出了一种低复杂度线性算法，该算法可以简便高效地得出平均安全吞吐量的最优值；(3)本专利技术的中继节点采用了无线信号能量采集技术，适用于一些不便于大规模有线供能的中继网络，如传感器网络等。以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法不局限于实施例。附图说明图1为本专利技术的中继网络的模型图；图2为本专利技术安全传输过程的三个时隙的时间分配框图；图3为本专利技术的中继网络的处理流程图；图4为本专利技术的平均安全吞吐量随信源发送功率PS增大以及信宿数量增大时的变化示意图；图5为本专利技术的基于瞬时信道参数环境下不同平均安全吞吐量进行比较的示意图；图6为本专利技术的通过二分法算法得出的循环次数与安全吞吐量的关系示意图。具体实施方式本专利技术提出一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，参见图1至图3所示，所述半双工中继网络包含三个节点，分别为信源节点S、中继节点R以及M个信宿节点(U1，U2…，UM)，所有节点均为单天线，且中继节点为无源节点，通过能量采集为其工作供能。考虑到信源节点与信宿节点间距离较远，没有直达路径，本专利技术中，信号的整个安全传输过程分为三个时隙完成，在第一时隙中，中继节点将接收到信源节点发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；在第二时隙中，信源节点将有用信号发送给中继节点，在第三时隙中，中继节点将接收到的信号广播给信宿节点。具体的，网络中所有信道均采用瑞利衰落信道；中继节点在第一时隙所采集到的能量全部被用于第三时隙的信号转发，且中继节点在三个时隙均为半双工工作模式；此外，由于存在多个用户，为获得多用户分集增益并提升系统的安全性能，中继从多用户中选择一个接收信噪比最大的用时隙户作为合法用户进行服务，剩余未被选中的用户都是潜在的窃听用户。本实施例中，一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法具体包括如下步骤：步骤1，在第一时隙中，中继节点将接收到的射频信号通过能量采集技术转化为能量。由于中继采用了基于时间分配的能量采集技术，在忽略采集天线接收噪声所带微弱能量时，中继在第一时隙采集的能量表示为其中，α(0<α<1)表示时间分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示三个时隙传输的总时长，PS为信源的发送功率，dSR为信源到中继的距离，ρ表示路径损耗因子，hSR为信源至中继的信道参数。步骤2，在第二时隙中，信源节点将有用信息发送给中继节点，且第一时隙中继采集的能量全部用于第三时隙的信息传输。中继节点接收信号的表达式为其中，XS为单位方差信源信号，nR表示单位方差的加性白高斯噪声。步骤3，在第三时隙中，当信号用于能量采集之后，且中继节点处于半双工的工作模式下，中继节点的发送功率表示为所以中继节点的发送功率为中继节点将接收到的信号广播给信宿节点。由此可知第三时隙中，信宿节点接收信号表达式为其中i为信宿节点的数量。本实施例中，中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，其特征在于，所述半双工中继网络包括信源节点、中继节点和若干个信宿节点，各节点均配置单天线，中继为无源节点且采用可变增益放大转发协议，信号的安全传输过程分为三个时隙完成，具体包括：在第一时隙中，中继节点将接收到的信源节点发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；在第二时隙中，信源节点将有用信号发送给中继节点；在第三时隙中，中继节点使用第一时隙内所采集到的能量将第二时隙中接收到的信号广播给信宿节点；并从所述若干个信宿节点中选取一个接收信噪比最大的节点作为合法用户进行服务，获取中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量的最优值。

【技术特征摘要】
1.一种基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，其特征在于，所述半双工中继网络包括信源节点、中继节点和若干个信宿节点，各节点均配置单天线，中继为无源节点且采用可变增益放大转发协议，信号的安全传输过程分为三个时隙完成，具体包括：在第一时隙中，中继节点将接收到的信源节点发送的射频信号通过能量采集技术转化为能量；在第二时隙中，信源节点将有用信号发送给中继节点；在第三时隙中，中继节点使用第一时隙内所采集到的能量将第二时隙中接收到的信号广播给信宿节点；并从所述若干个信宿节点中选取一个接收信噪比最大的节点作为合法用户进行服务，获取中继网络基于瞬时安全速率的安全吞吐量的最优值。2.根据权利要求1所述的基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，其特征在于，中继节点在第一时隙内采集到的能量表示为：其中，0<α<1，α表示时间分配因子，η表示进行无线能量采集时的能量转换效率因子，T表示三个时隙传输的总时长，PS表示信源节点的发送功率，dSR表示信源节点到中继节点的距离，ρ表示路径损耗因子，hSR表示信源节点至中继节点的信道参数。3.根据权利要求2所述的基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，其特征在于，在第二时隙内，信源节点将有用信息发送给中继节点，中继节点接收到的信号表示为：其中，XS表示单位方差信源信号，nR表示单位方差的加性白高斯噪声。4.根据权利要求3所述的基于时分能量采集的半双工中继网络安全传输方法，其特征在于，在第三时隙内，信宿节点接收到的中继节点发送的信号表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：赵睿，方嘉佳，聂志巧，谭星，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35